DE4429232C1 - Exhaust back guiding device for charged combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasrückführung für eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbe griff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a device for exhaust gas recirculation for a supercharged internal combustion engine according to the Oberbe handle of claim 1.
Aus der DE 42 35 794 C1 ist bereits eine Vorrichtung zur Ab gasrückführung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine der gattungsgemäßen Art bekannt. Die Vorrichtung umfaßt einen Abgasturbolader mit einer Turbine und einem Verdichter sowie eine Abgasleitung und eine Ladeluftleitung, wobei eine Ab gasrückführungsleitung die Abgasleitung vor der Turbine mit der Ladeluftleitung nach dem Verdichter verbindet und wobei eine Durchflußreguliereinrichtung zwischen Druckseite des Verdichters und Einlaßseite der Brennkraftmaschine angeord net und mit der Abgasrückführungsleitung verbunden ist. Die Durchflußreguliereinrichtung besteht aus einem Ejektor und einer parallel zu diesem geschalteten Drosseleinrichtung zur Regelung der Menge des aus der Abgasrückführungsleitung in die Ladeluftleitung strömenden Abgases.From DE 42 35 794 C1 a device for Ab gas recirculation of a supercharged internal combustion engine generic type known. The device comprises one Exhaust gas turbocharger with a turbine and a compressor as well an exhaust pipe and a charge air line, an Ab gas return line with the exhaust pipe in front of the turbine the charge air line connects after the compressor and where a flow regulator between the pressure side of the Compressor and inlet side of the internal combustion engine arranged net and is connected to the exhaust gas recirculation line. The Flow control device consists of an ejector and a throttle device connected in parallel to this Regulating the amount of gas from the exhaust gas recirculation line the exhaust gas line flowing exhaust gas.
Zum allgemeinen technischen Hintergrund wird noch auf die Druckschrift US 4 270 508 verwiesen.For the general technical background, the Reference US 4,270,508.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Abgasrückführung für eine aufgeladene Brennkraftmaschine möglichst kompakt und gleichzeitig derart auszubilden, daß die in den Ladeluftstrom rückzuführende Ab gasmenge in einem weiten Betriebsbereich der Brennkraftma schine variabel einstellbar ist.The invention has for its object a Exhaust gas recirculation device for a charged Internal combustion engine as compact as possible and at the same time train that the traceable in the charge air stream Ab amount of gas in a wide operating range of the internal combustion engine machine is variably adjustable.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches gegebenen Merkmale gelöst.This task is performed in a generic device by the in the characteristics of Main claim given characteristics solved.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die kom pakte Bauweise, da die Drosseleinrichtung und die Ejektor düse in einem integrierten Bauteil vereinigt sind. Neben der erheblichen Platzersparnis und der geringeren Baugröße wird, im Vergleich zu Starrgeometrie-Ejektoren, durch den varia blen Ejektor auch ein wesentlich breiterer Optimalbereich für dessen Betrieb und eine gute Dosierbarkeit der in den Ladeluftstrom rückzuführenden Abgasmenge erreicht.An advantage of the device according to the invention is the com compact design, since the throttle device and the ejector nozzle are combined in an integrated component. In addition to the considerable space savings and the smaller size, compared to rigid geometry ejectors, thanks to the varia blen ejector also a much wider optimal range for its operation and good meterability in the Charge air flow exhaust gas quantity to be returned reached.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasrückführung liegt darin, daß der Druck in der Abgaslei tung nicht betriebsnotwendig höher sein muß als der Druck in der Ladeluftleitung, um eine bestimmte Menge Abgas zurückzu führen.Another advantage of the device for Exhaust gas recirculation is that the pressure in the exhaust gas tion does not necessarily have to be higher than the pressure in the charge air line to return a certain amount of exhaust gas to lead.
Des weiteren ist eine Nachrüstung von turboaufgeladenen Brennkraftmaschinen mit einer Abgasrückführung mit geringem Aufwand möglich, da die Vorrichtung lediglich auf den vor handenen Turbolader und das Motor-Kennfeld abgestimmt werden muß.Furthermore, a retrofit of turbocharged is Internal combustion engines with exhaust gas recirculation with low Effort possible because the device only on the front existing turbocharger and the engine map can be matched got to.
Ein Vorteil der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrich tung nach den Ansprüchen 2 und 3 liegt darin, daß durch eine Verringerung des engsten Querschnittes der Ladeluftströmung in der Ejektordüse bei Verschiebung des beweglichen Ejektor düsenteils die Abgasrückführung, speziell für größere Mengen rückzuführenden Abgases, wesentlich verbessert wird. Vor teilhafterweise wird der engste Querschnitt der Strömung in der Ejektordüse bei der maximal rückzuführenden Abgasmenge erreicht. An advantage of the configuration of the device according to the invention device according to claims 2 and 3 is that by a Reduction of the narrowest cross-section of the charge air flow in the ejector nozzle when the movable ejector is moved part of the exhaust gas recirculation, especially for larger quantities exhaust gas to be recycled, is significantly improved. Before the narrowest cross section of the flow in the ejector nozzle at the maximum amount of exhaust gas to be recycled reached.
Durch die Ausgestaltung nach Anspruch 4 erfüllt die erfin dungsgemäße Vorrichtung neben einer vollständigen Abriegel barkeit des Abgasstromes gleichzeitig die Funktion eines Rückschlagventils in der Abgasrückführungsleitung.Through the embodiment according to claim 4, the inventions device according to the invention in addition to a complete cordon Ability of the exhaust gas flow to function as a Check valve in the exhaust gas recirculation line.
Durch die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 5 wird der Wirkungsgrad des Ejektordiffusors verbessert, da dessen Druckrückgewinn bei einer drallbehafteten Abgaszuströmung im Ejektorhalsbereich erhöht wird. Die Begründung hierfür liegt darin, daß durch Energietransport aus dem Kernbereich der Strömung in den Wandbereich des Ejektordiffusors das Abrei ßen der Strömung an der Wand des Ejektordiffusors erst bei höherem statischen Druck im Diffusor auftritt, als bei nicht drallbehafteter Abgaszuströmung.The embodiment of the invention according to claim 5 the efficiency of the ejector diffuser improves because of that Pressure recovery with a swirling exhaust gas inflow in the Ejector neck area is increased. The reason for this lies in that through energy transport from the core area of Flow into the wall area of the ejector diffuser only start to flow on the wall of the ejector diffuser higher static pressure occurs in the diffuser than not swirling exhaust gas inflow.
Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den übrigen Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.Further configurations and advantages of the invention go out the other subclaims and the description.
In den Zeichnungen ist die Erfindung anhand eines Ausfüh rungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt:In the drawings, the invention is based on an embodiment Example explained approximately. It shows:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemä ßen Vorrichtung zur Abgasrückführung für eine auf geladene Brennkraftmaschine, wobei zwischen Abgas leitung und Ladeluftleitung eine Abgasrückführungs leitung und eine Durchflußreguliereinrichtung mit einem Ejektor angeordnet ist, mit der die rückge führte Abgasmenge regelbar ist, Fig. 1 is a schematic representation of an inventive SEN device for exhaust gas recirculation for an amount of exhaust gas is regulated on charged internal combustion engine, said conduit between exhaust gas and charge air pipe line, an exhaust gas recirculation and a Durchflußreguliereinrichtung is arranged with an ejector, with the led rückge,
Fig. 2 einen Meridianschnitt der Durchflußreguliereinrich tung, die einen variablen Ejektor mit einem beweg lichen Ejektordüsenteil, einem feststehenden Ejek tordiffusorteil und einem Nabenstück umfaßt, in ei ner Position des beweglichen Ejektordüsenteils für geöffneten Bypass und abgeriegelter Abgasrückführung und Fig. 2 shows a meridian section of the Durchflußreguliereinrich device, which comprises a variable ejector with a movable union ejector part, a fixed ejector diffuser part and a hub piece, in a position of the movable ejector part for open bypass and sealed exhaust gas recirculation and
Fig. 3 einen Meridianschnitt analog Fig. 2 in einer Posi tion des beweglichen Ejektordüsenteils für Abgas rückführung bei geschlossenem Bypass. Fig. 3 shows a meridian section analogous to Fig. 2 in a posi tion of the movable ejector part for exhaust gas recirculation with closed bypass.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer aufgelade nen Brennkraftmaschine 1, die über eine Abgasleitung 2 und eine Ladeluftleitung 3 mit einem Abgasturbolader 4 verbunden ist. Der Abgasturbolader 4 besteht in seinen wesentlichen Teilen aus einem Verdichter 5, der über eine Welle 6 mit ei ner Turbine 7 verbunden ist. Fig. 1 shows a schematic representation of a supercharged NEN internal combustion engine 1 , which is connected via an exhaust pipe 2 and a charge air line 3 with an exhaust gas turbocharger 4 . The exhaust gas turbocharger 4 consists in its essential parts of a compressor 5 which is connected via a shaft 6 to egg ner turbine 7 .
Die Abgasleitung 2 führt von der Auslaßseite 8 der Brenn kraftmaschine 1 zum Einlaßstutzen 9 der Turbine 7. Ein erster Teil 10 der Ladeluftleitung 3 führt von einem Aus laßstutzen 11 des Verdichters 5 zu einem Ladeluftkühler 12, ein zweiter Teil 13 der Ladeluftleitung 3 verbindet den Ladeluftkühler 12 mit der Einlaßseite 14 der Brennkraftma schine 1.The exhaust pipe 2 leads from the outlet side 8 of the internal combustion engine 1 to the inlet port 9 of the turbine 7th A first part 10 of the charge air line 3 leads from an outlet connection 11 of the compressor 5 to a charge air cooler 12 , a second part 13 of the charge air line 3 connects the charge air cooler 12 to the inlet side 14 of the internal combustion engine 1 .
In dem zweiten Teil 13 der Ladeluftleitung 3 befindet sich
eine Durchflußreguliereinrichtung 15, die als integriertes
Bauteil ausgebildet ist und einen variablen Ejektor 16 mit
einem beweglichen Ejektordüsenteil 16a (siehe Fig. 2) um
faßt, mit dem ein Querschnitt 17 für den anzusaugenden Ab
gasstrom und ein Querschnitt 18 für den Bypassstrom der Lade
luft einstellbar ist (siehe Fig. 2)
Von der Abgasleitung 2 führt eine Abgasrückführungsleitung
19 zu einem Saugstutzen 20 der Durchflußreguliereinrichtung
15, der in eine ringförmige Kammer 21 mündet.In the second part 13 of the charge air line 3 there is a flow regulating device 15 , which is designed as an integrated component and a variable ejector 16 with a movable ejector nozzle part 16 a (see FIG. 2), with which a cross section 17 for the gas flow to be sucked in and a cross section 18 for the bypass flow of the charging air is adjustable (see FIG. 2)
An exhaust gas recirculation line 19 leads from the exhaust gas line 2 to a suction nozzle 20 of the flow regulating device 15 , which opens into an annular chamber 21 .
Ein Regler 22 regelt die Menge des rückzuführenden Abgases über das bewegliche Ejektordüsenteil 16a in unten näher be schriebener Weise. A controller 22 regulates the amount of exhaust gas to be recycled via the movable ejector part 16 a in a manner described in more detail below.
Die Fig. 2 und 3 zeigen einen Meridianschnitt der Durchfluß reguliereinrichtung 15, die den variablen Ejektor 16 mit dem beweglichen Ejektordüsenteil 16a, einen feststehenden Ejek tordiffusorteil 23 und einen Nabenstück 24 umfaßt. Die Ab gasrückführungsleitung 19 mündet in einem Stutzen 20 in eine Kammer 21; die durch ein Gehäuseteil 25 der Durchflußregu liereinrichtung 15 gebildet ist. Figs. 2 and 3 show a meridian section of the flow regulator 15 connected to the movable Ejektordüsenteil 16 a, a fixed Ejek tordiffusorteil comprises a hub 23 and piece 24 variable ejector 16. From the gas return line 19 opens into a nozzle 20 in a chamber 21 ; which is formed by a housing part 25 of the flow regulating device 15 .
In Fig. 2 ist das Ejektordüsenteil 16a auf einen Sitz 23a des feststehenden Ejektordiffusorteils 23 geschoben, so daß die Abgasrückführungsleitung 19 nebst Kammer 21 vom Ejektor 16 vollständig abgeriegelt ist und keine Abgasrückführung stattfindet.In FIG. 2, the Ejektordüsenteil 16 a is pushed onto a seat 23 a of the fixed Ejektordiffusorteils 23 so that the exhaust gas recirculation line is completely sealed 19 together with chamber 21 by the ejector 16 and there is no exhaust gas recirculation.
In Fig. 3 ist das Ejektordüsenteil 16a im Vergleich zu Fig. 2 nach links verschoben und gibt so den Querschnitt 17 für den rückzuführenden Abgasstrom frei. Die Zuströmung des Ab gases in den Ladeluftstrom im Ejektorhals 27 ist für die ge zeigte zylinderringförmige Kammer 21 überwiegend radial und wenig drallbehaftet. Eine stärker drallbehaftete Zuströmung des Abgases und damit ein verbesserter Ejektordiffusorwir kungsgrad wird durch eine spiralförmige Ausbildung der Kam mer 21 erreicht.In Fig. 3, the ejector part 16 a is shifted to the left compared to Fig. 2 and thus releases the cross section 17 for the exhaust gas flow to be recirculated. The inflow of the exhaust gas into the charge air flow in the ejector neck 27 is for the cylindrical chamber 21 shown ge mainly radial and little swirl. A more swirling inflow of exhaust gas and thus an improved ejector diffusor degree of efficiency is achieved by a spiral configuration of the chamber 21 .
Der engste Strömungsquerschnitt 26 der Strömung durch den variablen Ejektor 16 ist mittels Verschiebung des bewegli chen Ejektordüsenteils 16a und durch das in das verschieb bare Ejektordüsenteil 16a hineinragende Nabenstück 24 mit Endkontur 24a variierbar. Die Endkontur 24a ist in Strö mungsrichtung der Ladeluft zulaufend, so daß bei einer gegen die Strömungsrichtung der Ladeluft erfolgenden Verschiebung des Ejektordüsenteils 16a der Strömungsquerschnitt 26 ver ringert wird. Der kleinste Strömungsquerschnitt 26 für die Strömung durch den variablen Ejektor 16 wird gemäß Fig. 3 in einer Position des Ejektordüsenteils 16a erreicht, die den Querschnitt 18 für den Bypassstrom vollständig verschließt, so daß die gesamte Ladeluft durch den Ejektor 16 strömt.The narrowest flow cross-section 26 of the flow through the variable ejector 16 can be varied by moving the movable ejector nozzle part 16 a and by projecting into the movable ejector nozzle part 16 a projecting hub piece 24 with an end contour 24 a. The end contour 24 a is tapering in the flow direction of the charge air, so that when the flow of the charge air moves against the ejector nozzle part 16 a, the flow cross section 26 is reduced ver. The smallest flow cross section 26 for the flow through the variable ejector 16 is reached according to FIG. 3 in a position of the ejector part 16 a, which completely closes the cross section 18 for the bypass flow, so that the entire charge air flows through the ejector 16 .
Die Regelung der Menge des rückzuführenden Abgases über das bewegliche Ejektordüsenteil 16a erfolgt in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 1 und auch in Ab stimmung mit der optimalen Betriebskennlinie des Abgasturbo laders 4, wobei ein Ejektorkennfeld in einem elektronischen Baustein zwecks Speicherzugriff durch den Regler 22 abge speichert wird und über einen Rechner die optimale Position des beweglichen Ejektordüsenteils 16a ermittelt und einem Motorbetriebspunkt und/oder einem Turboladerbetriebspunkt zugeordnet wird.The regulation of the amount of exhaust gas to be recycled via the movable ejector part 16 a takes place depending on the operating parameters of the internal combustion engine 1 and also in accordance with the optimal operating characteristic of the exhaust gas turbocharger 4 , an ejector map being stored in an electronic module for the purpose of memory access by the controller 22 and is via a computer the optimum position of the movable Ejektordüsenteils 16 determines a and an engine operating point and / or a turbocharger operating point is assigned.
Die Positionierung des beweglichen Ejektordüsenteils 16a er folgt durch einen Steller 28, der vom Regler 22 über eine nicht dargestellte, prinzipiell bekannte Betätigungseinrich tung betätigt wird. Der Steller 28 ist am beweglichen Ejek tordüsenteil 16a und an einer Schiebehülse 29 befestigt und ist ein einer Nut 30 geführt, wobei diese Nut 30 eine Längs nut oder eine unter einem Winkel (z. B. 45°) zur Längsachse des Ejektors 16 verlaufende Nut sein kann.The positioning of the movable ejector part 16 a he follows by an actuator 28 , which is actuated by the controller 22 via a not shown, principally known actuating device. The actuator 28 is attached to the movable ejector gate part 16a and to a sliding sleeve 29 and is guided in a groove 30 , this groove 30 being a longitudinal groove or an groove (for example 45 °) running to the longitudinal axis of the ejector 16 can be.
Ist der Druck des Abgases in der Abgasleitung 2 höher als der Druck der Ladeluft in dem zweiten Teil 13 der Ladeluft leitung 3 und das Ejektordüsenteil 16a gibt den Querschnitt 17 für das rückzuführende Abgas frei, kommt es zu einer Strömung des Abgases von der Abgasleitung 2 über die Abgas rückführungsleitung 19 und die Durchflußreguliereinrichtung 15 zur Ladeluftleitung 3 und zu einer Mischung des Abgases mit der Ladeluft.If the pressure of the exhaust gas in the exhaust line 2 is higher than the pressure of the charge air in the second part 13 of the charge air line 3 and the ejector nozzle part 16 a releases the cross section 17 for the exhaust gas to be returned, there is a flow of the exhaust gas from the exhaust line 2 About the exhaust gas recirculation line 19 and the flow control device 15 to the charge air line 3 and a mixture of the exhaust gas with the charge air.
Sinkt der Abgasdruck unter den Druck der Ladeluft in dem zweiten Teil 13 der Ladeluftleitung 3 und ist eine Abgas rückführung erwünscht, wird das bewegliche Ejektordüsenteil 16a ausgehend von der in Fig. 2 gezeigten Position über den Regler 22 nebst Steller 28 nach links geschoben. Durch den niederen statischen Druck im Ejektorhals 27 wird eine dem geöffneten Querschnitt 17 und der bestehenden Druckdifferenz zwischen dem Abgas in der Kammer 21 und dem Ladeluftstrom im Ejektorhals 27 entsprechende Menge Abgas in den Ejektorkanal angesaugt und mit einem Teil der Ladeluft vermischt. Die üb rige Ladeluft strömt durch den Querschnitt 18 über den Bypass um den Ejektor 16, solange das Ejektordüsenteil 16a den Querschnitt 18 nicht vollständig verschließt.If the exhaust gas pressure drops below the pressure of the charge air in the second part 13 of the charge air line 3 and exhaust gas recirculation is desired, the movable ejector nozzle part 16a is pushed to the left, starting from the position shown in FIG. 2, by means of the regulator 22 and the actuator 28 . Due to the low static pressure in the ejector neck 27 , an amount of exhaust gas corresponding to the open cross section 17 and the existing pressure difference between the exhaust gas in the chamber 21 and the charge air flow in the ejector neck 27 is sucked into the ejector channel and mixed with part of the charge air. The usual charge air flows through the cross section 18 via the bypass around the ejector 16 as long as the ejector part 16 a does not completely close the cross section 18 .
Nach dem Einströmstutzen 31 des Ejektors 16 wird die Strö mung der Ladeluft in dem Ejektordüsenteil 16a zunächst be schleunigt und damit der statische Druck im Ejektorhals 27 soweit abgesenkt, daß der Druck des Abgases aus der Abgas rückführungsleitung 19 höher ist als der statische Druck im Ejektorhals 27. Damit kann das Abgas der Kammer 21 in den Ejektorhals 27 strömen und vermischt sich mit der Ladeluft. Anschließend strömt das Luft-Abgas-Gemisch zum Ejektordiffu sor 23. Dort wird die Strömung wieder verzögert und Ge schwindigkeitsenergie in Druckenergie umgewandelt. Das Luft- Abgas-Gemisch gelangt über den Ausströmstutzen 23b des Ejek tordiffusors 23 in das Gehäuse 15a der Durchflußregulierein richtung 15 und vermischt sich mit der über den Bypass strö menden Ladeluft.After the inlet connector 31 of the ejector 16 , the flow of the charge air in the ejector nozzle part 16 a is initially accelerated and thus the static pressure in the ejector neck 27 is reduced to such an extent that the pressure of the exhaust gas from the exhaust gas recirculation line 19 is higher than the static pressure in the ejector neck 27 . The exhaust gas from the chamber 21 can thus flow into the ejector neck 27 and mixes with the charge air. The air / exhaust gas mixture then flows to the ejector diffuser 23 . There the flow is decelerated again and speed energy is converted into pressure energy. The air-exhaust gas mixture passes through the outlet nozzle 23 b of the ejector gate diffuser 23 into the housing 15 a of the flow regulating device 15 and mixes with the charge air flowing through the bypass.
Um die oben beschriebene Funktion der Durchflußregulierein richtung 15 betriebssicher zu gewährleisten, sind der Ejek tor 16 nebst Ejektordüsenteil 16a, das Nabenstück 24 nebst Endkontur 24a und der Querschnitt 17 für das rückzuführende Abgas aufeinander abzustimmen.To the above-described function of the direction Durchflußregulierein 15 reliably to guarantee are the Ejek gate 16 together with Ejektordüsenteil 16 a, the hub piece 24, together with a final contour 24 and tune the cross-section 17 for the recirculated exhaust gas to each other.
Die Anordnung des variablen Ejektors 16 und damit die Ein speisung des rückgeführten Abgases erfolgt in den zweiten Teil 13 der Ladeluftleitung 3 nach dem Ladeluftkühler 12, um dessen Verschmutzung durch das Abgas zu vermeiden. Dies ist auch hinsichtlich des Gaswechsels sinnvoll, da der Ladeluft kühler 12 hauptsächlich zur Verbesserung des Liefergrades im Vollastbereich benötigt wird und gleichzeitig in diesem Be reich die rückgeführte Abgasmenge sehr gering ist bzw. über haupt kein Abgas mehr rückgeführt wird.The arrangement of the variable ejector 16 and thus the supply of the recirculated exhaust gas takes place in the second part 13 of the charge air line 3 after the charge air cooler 12 in order to avoid its contamination by the exhaust gas. This also makes sense with regard to the gas exchange, since the charge air cooler 12 is mainly required to improve the degree of delivery in the full-load range and at the same time the amount of exhaust gas recirculated is very low in this loading or no exhaust gas is recirculated at all.
Die Abgasrückführung erfolgt hauptsächlich im Teillastbe reich, in dem eine gewisse Temperaturerhöhung und damit eine Verringerung der Dichte der zuvor gekühlten Ladeluft durch die rückgeführten Abgase tolerierbar ist.The exhaust gas recirculation mainly takes place in partial load rich, in which a certain temperature increase and thus a Reduction in the density of the previously cooled charge air the recirculated exhaust gases can be tolerated.
Eine Zuführung des Abgases vor den Verdichter ist zwar mög lich, jedoch wegen der Verschmutzung des Verdichters und ei nem eventuell nachfolgendem Ladeluftkühler kritisch, da hierdurch die Lebensdauer dieser Bauteile deutlich beein trächtigt wird.A supply of the exhaust gas upstream of the compressor is possible Lich, but because of the contamination of the compressor and egg nem possibly subsequent charge air cooler critical, because this significantly affects the life of these components is pregnant.
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